数据库原理第十章课件.ppt

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1、 Spring,2009.数据库原理主讲：赵海霞主讲：赵海霞河南科技大学电信学院河南科技大学电信学院 Spring,2009.学习要点学习要点n事务事务n故障及其类型故障及其类型n数据库恢复实现技术数据库恢复实现技术n数据库恢复策略数据库恢复策略第十章 数据库恢复技术 Spring,2009.10.1 事务的基本概念n事务（事务（Transaction）F用户定义的一个对数据库的读写操作序列用户定义的一个对数据库的读写操作序列F一个一个不可分割不可分割的工作单位的工作单位F数据库恢复和并发控制的基本单位数据库恢复和并发控制的基本单位F数据库系统中通常有多个事务并行运行数据库系统中通常有多个事务

2、并行运行n在关系数据库中，事务可以是一条、一组在关系数据库中，事务可以是一条、一组SQL语句，语句，或整个程序或整个程序n事务和程序的区别？事务和程序的区别？F程序包含多个事务程序包含多个事务 Spring,2009.SQL语言中定义事务的语句n事务的开始和结束可以由用户显式控制。如果用户没事务的开始和结束可以由用户显式控制。如果用户没有定义，则由有定义，则由DBMS按缺省规定自动划分事务。按缺省规定自动划分事务。nSQL定义事务的语句定义事务的语句FBegin transaction(事务开始事务开始)FCommit(事务提交，正常结束，将更新结果写入磁盘事务提交，正常结束，将更新结果写入磁

3、盘)FRollback(事务回滚，撤销事务中所有已完成的更新事务回滚，撤销事务中所有已完成的更新)Spring,2009.事务示例BEGIN TRANSACTION 读账户甲的余额balance;balance =balance amount;/amount为转账金额 if(balance 0)then 打印金额不足，不能转账；ROLLBACK;/撤销刚才的修改，恢复事务 else 读账户乙的金额balance1;balance1=balance1+amount;写回balance1;COMMIT;Spring,2009.事务的ACID性质n原子性（原子性（Atomicity）n一致性（一致性

4、（Consistency）n隔离性（隔离性（Isolation）n持续性（持续性（Durability）DBMS中事务处理必须保证其中事务处理必须保证其ACID特性，这特性，这样才能保证数据库中数据的安全和正确样才能保证数据库中数据的安全和正确 Spring,2009.事务的原子性原子性原子性（atomicity）:一个事务中所有对数据库的操作，是一个不一个事务中所有对数据库的操作，是一个不可分割的操作序列。可分割的操作序列。“要么全做要么全做”“要么什么也不做要么什么也不做”(All or None)DBMS的事务管理子系统负的事务管理子系统负责责 Spring,2009.事务的一致性一致性

5、（一致性（consistency）：）：一个事务独立执行的结果，将保持数据库的一个事务独立执行的结果，将保持数据库的一致性，即数据不会因事务的执行而遭受破坏。一致性，即数据不会因事务的执行而遭受破坏。可由编写事务程可由编写事务程序的应用程序员序的应用程序员完成完成也可由系统测试完也可由系统测试完整性约束自动完成整性约束自动完成 Spring,2009.事务的隔离性隔离性（隔离性（isolation）：）：多个事务并发执行时，系统应保证与这些事务多个事务并发执行时，系统应保证与这些事务先后单独执行时的结果一样。先后单独执行时的结果一样。并发执行的各事务不并发执行的各事务不能相互干扰能相互干扰由由

6、DBMS的并发控的并发控制子系统负责制子系统负责 Spring,2009.事务的持续性持续性（持续性（durability）一个事务一旦完成全部操作，它对数据库的一个事务一旦完成全部操作，它对数据库的所有更新应永久性地反映在数据库中。所有更新应永久性地反映在数据库中。由由DBMS的恢复管的恢复管理子系统负责理子系统负责 Spring,2009.事务的ACID性质数据库的访问：数据库的访问：I.read(X)：把数据把数据X从数据库中读到内存缓冲区从数据库中读到内存缓冲区II.write(X）：）：把数据把数据X从内存缓冲区写回数据库从内存缓冲区写回数据库数据库数据库内存内存缓冲区缓冲区read

7、(X)write(X)XX Spring,2009.事务的ACID性质例：银行数据库中有一转帐事务例：银行数据库中有一转帐事务Ti，从帐号从帐号A转一转一笔款（￥笔款（￥50）到帐号）到帐号B。AB￥50AB￥50 Spring,2009.其操作如下：其操作如下：T Ti i:read(A);read(A);A:=A-50;A:=A-50;Write(A);Write(A);Read(B);Read(B);B:=B+50;B:=B+50;Write(B);Write(B);内存内存缓冲区缓冲区1、read(A)3、write(A)AABB2、A:=A-504、read(B)6、write(B)

8、5、B:=B+50事务的ACID性质 Spring,2009.原子性原子性：n 事务中所有操作应作为一个整体，不能分割，要么事务中所有操作应作为一个整体，不能分割，要么全做，要么全不做。全做，要么全不做。n 如果只修改了如果只修改了A的值而没有修改的值而没有修改B的值，就违反了事的值，就违反了事务的原子性。务的原子性。Ti:read(A);A:=A-50;Write(A);Read(B);B:=B+50;Write(B);AB￥50事务的ACID性质 Spring,2009.一致性一致性：n 在事务在事务Ti执行结束后，要求数据库中执行结束后，要求数据库中A的值减的值减50，B的的值增值增50

9、，即，即A与与B的和不变，此时称数据库处于一致状态。的和不变，此时称数据库处于一致状态。Ti:read(A);A:=A-50;Write(A);Read(B);B:=B+50;Write(B);A-50B+50A+B不变不变注：注：“暂时不一致状态暂时不一致状态”的合理性、透明性。的合理性、透明性。事务的ACID性质 Spring,2009.隔离性隔离性：n 同时两个事务同时两个事务Ti和和Tj对对A、B操作，彼此独立，互不干涉。操作，彼此独立，互不干涉。Ti:read(A);A:=A-50;Write(A);Read(B);B:=B+50;Write(B);注：如注：如Ti“暂时不一致状态暂

10、时不一致状态”时如何控制时如何控制Tj事务。事务。ABTj:read(A);A:=A+100;Write(A);Read(B);B:=B-100;Write(B);￥50￥100事务的ACID性质 Spring,2009.持久性持久性：n事务的持久性保证事务成功执行后，所有对数据库事务的持久性保证事务成功执行后，所有对数据库修改的影响应长期存在，不能丢失。既使计算机系统修改的影响应长期存在，不能丢失。既使计算机系统的故障导致内存中数据丢失，但写入磁盘的数据也决的故障导致内存中数据丢失，但写入磁盘的数据也决不能丢失。不能丢失。n如何保证事务持久性的实现？如何保证事务持久性的实现？F 事务的更新操

11、作应在事务完成之前写入磁盘；事务的更新操作应在事务完成之前写入磁盘；F 事事务务的的更更新新和和写写入入磁磁盘盘操操作作应应保保存存足足够够的的信信息息，足足以以使使数数据据库库系系统统在在遇遇到到故故障障后后重重新新启启动动时时重重构构更更新操作。新操作。事务的ACID性质 Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图 Spring,2009.BEGIN

12、TRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图在事务开始执行后，立即进入在事务开始执行后，立即进入“活动活动”状状态。在活动状态，事务执行对数据库的读态。在活动状态，事务执行对数据库的读/写操作。但是写操作。但是“写操作写操作”并不立即写到磁并不立即写到磁盘上，很可能暂时存放在系统缓冲区中。盘上，很可能暂时存放在系统缓冲区中。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGIN

13、TRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图事务的最后一个语句执行之后，事务的最后一个语句执行之后，进入进入“局部提交局部提交”状态。事务状态。事务执行完毕，但对数据库的修改，执行完毕，但对数据库的修改，可能还在内存的系统缓冲区中，可能还在内存的系统缓冲区中，事务还没有真正结束。事务还没有真正结束。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状

14、态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图处于活动状态的事务还没处于活动状态的事务还没有执行完最后一个语句就有执行完最后一个语句就中止执行，事务进入中止执行，事务进入“失失败败”状态。状态。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图在局

15、部提交状态，虽然事务在局部提交状态，虽然事务的语句执行结束，但对数据的语句执行结束，但对数据库的修改可能还没有写到数库的修改可能还没有写到数据库。此时，如果系统出现据库。此时，如果系统出现故障，事务将进入故障，事务将进入“失败失败”状态。状态。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图处于失败状态的事务，可能已处于失败状态的事务，可能已对磁盘中的数据进行

16、了部分修对磁盘中的数据进行了部分修改。为了保证事务的原子性，改。为了保证事务的原子性，应该撤销该事务对数据库已做应该撤销该事务对数据库已做的修改。称为事务的回退。的修改。称为事务的回退。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图事务进入异常中止状态，系统可事务进入异常中止状态，系统可以重新启动（软硬件故障），或以重新启动（软硬件故障），或取消事务（事务逻

17、辑错误）。取消事务（事务逻辑错误）。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图事务进入局部提交状态后，并发控制系统事务进入局部提交状态后，并发控制系统将检查并发事务之间是否存在干扰现象，将检查并发事务之间是否存在干扰现象，通过检查后，系统执行提交操作，把对数通过检查后，系统执行提交操作，把对数据库的修改全部写到磁盘上。事务成功结据库的修改全部写到磁盘上。

18、事务成功结束，进入束，进入“提交提交”状态。状态。Spring,2009.BEGINTRANSACTIONBEGINTRANSACTIONENDTRANSACTION事务的状态变迁活动活动局部提交局部提交失败失败提交提交异常中止异常中止COMMITABORTROLLBACKABORTREAD/WRITE事务的状态变迁图事务的状态变迁图ABORTABORT都是事务的结束状态！都是事务的结束状态！都是事务的结束状态！Spring,2009.事务型DBMS中必备的机制n事务是恢复和并发控制的基本单位事务是恢复和并发控制的基本单位n恢复机制与并发控制机制的提出恢复机制与并发控制机制的提出F事务在运行过

19、程中因某种故障被强行终止，事务在运行过程中因某种故障被强行终止，数据库一致性被破坏，需进行数据库一致性被破坏，需进行恢复恢复F多个事务并行运行时，不同事务的各种操作多个事务并行运行时，不同事务的各种操作交叉进行，为保证各事务的执行互不干扰，交叉进行，为保证各事务的执行互不干扰，需进行需进行并发控制并发控制 Spring,2009.10.2 数据库恢复概述F数据库系统运行时，可能会出现各种故障，导致数据库系统运行时，可能会出现各种故障，导致可能丢失数据。可能丢失数据。F DBMS的恢复子系统要保证事务的原子性和持的恢复子系统要保证事务的原子性和持久性，确保数据不丢失、不破坏。久性，确保数据不丢失

20、、不破坏。FDBMS的恢复子系统把数据库从被破坏、不正确的恢复子系统把数据库从被破坏、不正确的状态恢复到最近一个正确的状态的能力称为的状态恢复到最近一个正确的状态的能力称为数据库的恢复数据库的恢复。F恢复机制涉及的关键问题是：恢复机制涉及的关键问题是：如何建立冗余数据；如何建立冗余数据；如何利用这些冗余数据实施数据库恢复。如何利用这些冗余数据实施数据库恢复。Spring,2009.10.3 故障的种类n事务内部故障事务内部故障F事务在运行至正常终止点事务在运行至正常终止点(commit或或rollback)前被终止前被终止F包括包括能由事务所在程序处理的，如条件不满足等不能由事务所在程序处理的

21、，如运算溢出等n系统故障系统故障(system)FCPU故障、故障、OS故障、故障、DBMS代码错误、掉电等代码错误、掉电等F恢复子系统必须在系统重新启动时，撤消恢复子系统必须在系统重新启动时，撤消(UNDO)所有未完成事务，所有未完成事务，重做重做(REDO)所有已提交的事务所有已提交的事务,将数据库真正恢复到一致的状态。将数据库真正恢复到一致的状态。n介质故障介质故障(medium)F磁盘损坏等磁盘损坏等n计算机病毒计算机病毒(virus)Spring,2009.各类故障对数据库的可能影响n数据库本身被破坏，使数据库中全部或部分数数据库本身被破坏，使数据库中全部或部分数据丢失据丢失F如介质

22、故障、计算机病毒等如介质故障、计算机病毒等n数据库没有被破坏，但因事务的运行被非正常数据库没有被破坏，但因事务的运行被非正常终止而使数据库数据失去一致性终止而使数据库数据失去一致性(正确性正确性)F如事务内部故障、系统故障、计算机病毒等如事务内部故障、系统故障、计算机病毒等 Spring,2009.10.4 恢复的实现技术n数据库恢复的基本原理数据库恢复的基本原理F利用存储在系统别处的利用存储在系统别处的冗余数据冗余数据来重建来重建n恢复技术的两个关键恢复技术的两个关键F如何建立冗余数据如何建立冗余数据数据转储登录日志文件F如何利用冗余数据恢复数据库如何利用冗余数据恢复数据库 Spring,2

23、009.数数据据转转储储是是数数据据库库恢恢复复中中采采用用的的基基本本技技术术。所所谓谓转转储储即即DBA定定期期地地将将整整个个数数据据库库复复制制到到磁磁带带或或另另一一个个磁磁盘盘上上保保存存起来的过程。这些备用的数据文本称为后备副本。起来的过程。这些备用的数据文本称为后备副本。正常运行正常运行恢复恢复T Ta aT Tb bT Tf f转转 储储运行事务运行事务故障故障发生点发生点后援副本后援副本后备副本后备副本数据库数据库转储转储恢复恢复重装后备副本重装后备副本重新运行事务重新运行事务建立冗余数据的方法一：建立冗余数据的方法一：数据转储数据转储 Spring,2009.静态转储静态

24、转储动态转储动态转储在系统无运行事务时进行的转储操作，在系统无运行事务时进行的转储操作，它会降低数据它会降低数据库的可用性库的可用性。在转储期间允许对数据库进行存取和修改。在转储期间允许对数据库进行存取和修改。它不能保证它不能保证后备副本上的数据正确有效，因此建立日志文件，将转后备副本上的数据正确有效，因此建立日志文件，将转储期间各事务对数据库的修改活动登记下来。储期间各事务对数据库的修改活动登记下来。建立冗余数据的方法一：建立冗余数据的方法一：数据转储数据转储后援副本后援副本后备副本后备副本数据库数据库转储转储恢复恢复 Spring,2009.n由由DBA 定义适当的转储周期定义适当的转储周

25、期转储状态动态转储静态转储转储方式海量转储动态海量转储动态海量转储静态海量转储静态海量转储增量转储动态增量转储动态增量转储静态增量转储静态增量转储每次转储全部数据库每次转储更新过的数据转储和用户事务可以并发执行转储期间不执行任何用户事务建立冗余数据的方法一：建立冗余数据的方法一：数据转储数据转储 Spring,2009.建立冗余数据的方法二：建立冗余数据的方法二：登记日志文件n登记日志文件（登记日志文件（Logging）F日志文件：日志文件：记录事务对数据库的更新操作记录事务对数据库的更新操作F以以记录记录为单位的日志文件为单位的日志文件事务的开始标记，事务的结束标记各个事务的所有更新操作事务

26、标识TransID,操作类型UpdateType,操作对象RecordID,更新前的旧值OldValue,更新后的新值NewValueF以以数据块数据块为单位的日志文件为单位的日志文件事务标识，被更新的数据块 Spring,2009.登记日志文件必须遵循的原则n登记的次序严格按并发事务执行的时间次序登记的次序严格按并发事务执行的时间次序n必须先写日志文件，后写数据库必须先写日志文件，后写数据库 (Write After Logging,WAL)Spring,2009.恢复的实现 通常在一个数据库中综合使用通常在一个数据库中综合使用数据转储数据转储和和登录日志文件登录日志文件这两种方法，配合使用

27、这两种方法，配合使用后备副本和日志文件进行数据库恢复后备副本和日志文件进行数据库恢复 Spring,2009.利用日志文件进行数据库恢复n事务故障恢复和系统故障恢复须用日志文件事务故障恢复和系统故障恢复须用日志文件n通常综合数据库后备副本和日志文件将数据库恢复至某通常综合数据库后备副本和日志文件将数据库恢复至某个一致状态个一致状态(视转储方法而定视转储方法而定)n恢复时，对故障发生时已提交的事务进行恢复时，对故障发生时已提交的事务进行重做重做(Redo，再执行再执行)，而对未提交的事务进行，而对未提交的事务进行撤销撤销(Undo，逆操作逆操作)正常运行：静态转储运行事务故障发生点登记日志文件T

28、aTbTf介质故障恢复：重装后备副本利用日志文件恢复事务 继续运行登记日志文件 Spring,2009.10.5 恢复策略n事务故障的恢复事务故障的恢复F反向扫描日志文件，反向扫描日志文件，Undo事务中的更新操作事务中的更新操作F由系统自动完成由系统自动完成n系统故障的恢复系统故障的恢复F首先正向扫描日志文件，生成首先正向扫描日志文件，生成Redo和和Undo队列队列F然后对然后对Undo队列中的各事务进行队列中的各事务进行UndoF最后对最后对Redo队列中的各事务进行队列中的各事务进行RedoF由系统在重启时自动完成由系统在重启时自动完成n介质故障的恢复介质故障的恢复F首先装入最新后备副

29、本和有关日志文件副本，首先装入最新后备副本和有关日志文件副本，Redo已提交的事务，已提交的事务，使数据库恢复至故障前某一时刻的一致状态使数据库恢复至故障前某一时刻的一致状态F装入副本由装入副本由DBA介入完成，并执行介入完成，并执行DBMS提供的恢复命令提供的恢复命令 Spring,2009.10.6 具有检查点的恢复技术n引入检查点的原因引入检查点的原因(CheckPoint)F减少对日志记录的搜索和减少对日志记录的搜索和Redo处理，改善恢复效率处理，改善恢复效率n具有检查点的恢复技术具有检查点的恢复技术F在日志文件中增加在日志文件中增加检查点记录检查点记录，其内容包括，其内容包括建立检

30、查点时刻所有正在执行的事务标识和这些事务最近一个日志记录的地址F增加增加重新开始文件重新开始文件用来记录各个检查点记录在日志文件中的地址F动态维护日志文件：周期性地执行（定期或不定期）如下操作：动态维护日志文件：周期性地执行（定期或不定期）如下操作：建立检查点，保存数据库状态 Spring,2009.建立检查点的步骤n将当前日志缓冲中的所有日志记录写入磁盘的将当前日志缓冲中的所有日志记录写入磁盘的日志文件。日志文件。n在日志文件中写入一个检查点记录。在日志文件中写入一个检查点记录。n将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的将当前数据缓冲区的所有数据记录写入磁盘的数据库中数据库中n把检查点记录在

31、日志文件中的地址写入一个重把检查点记录在日志文件中的地址写入一个重新开始文件。新开始文件。Spring,2009.使用检查点恢复技术进行恢复的步骤n从重新开始文件中找到最后一个检查点记录在从重新开始文件中找到最后一个检查点记录在日志文件中的地址，由该地址在日志文件中找日志文件中的地址，由该地址在日志文件中找到最后一个检查点记录到最后一个检查点记录n由该检查点记录得到检查点建立时刻所有正在由该检查点记录得到检查点建立时刻所有正在执行的事务清单执行的事务清单n从检查点开始扫描日志文件，将未提交事务加从检查点开始扫描日志文件，将未提交事务加入入Undo队列，将已提交事务加入队列，将已提交事务加入Re

32、do队列队列n对对Undo队列中的各事务进行队列中的各事务进行Undo，再对，再对Redo队列中的各事务进行队列中的各事务进行Redo Spring,2009.实例：恢复子系统采取的不同策略T1T2T3T5T4时间系统故障检查点不要REDOREDO撤销REDO撤销 Spring,2009.10.7 数据库镜像(Mirror)n概念概念F数据库镜像数据库镜像为避免介质故障为避免介质故障造成的损失而提出造成的损失而提出F由由DBA提出要求或当主数据库更新时，提出要求或当主数据库更新时，DBMS自动自动将整个数据库或其中的关键数据进行磁盘备份，以将整个数据库或其中的关键数据进行磁盘备份，以保证镜像数

33、据与主数据的一致性保证镜像数据与主数据的一致性 Spring,2009.数据库镜像的优缺点n介质故障时，介质故障时，DBMS可自动利用镜像数据进行数据可自动利用镜像数据进行数据库快速恢复；库快速恢复；n无故障时，镜像数据可用于并发操作时的数据访问无故障时，镜像数据可用于并发操作时的数据访问n建立镜像时，频繁大量的复制会影响系统运行效率。建立镜像时，频繁大量的复制会影响系统运行效率。通常仅对关键数据和日志文件镜像通常仅对关键数据和日志文件镜像镜像应用应用应用应用更新更新复制恢复读读读 Spring,2009.小结n掌握事务的概念，四个特性掌握事务的概念，四个特性n了解数据库系统遭遇的故障了解数据库系统遭遇的故障n掌握数据库恢复实现技术及数据库恢复掌握数据库恢复实现技术及数据库恢复策略策略 Spring,2009.思考P2611,3,4,5,8,10,11,12